三通道光谱立体投影显示系统方案

三通道光谱立体投影显示系统
方案建议书
2012年07月
目录
1.概述 (5)
1.1. 文档概述 (5)
1.2. 系统概述 (5)
2.大屏幕投影显示系统介绍 (7)
2.1. 不同拼接方式 (7)
2.2. 无缝拼接技术 (10)
2.3. 软边缘融合需要解决的关键技术 (11)
2.4. 无缝融合系统的实现条件 (13)
3.立体投影显示技术介绍 (15)
3.1. 主动立体 (15)
3.2. 被动立体 (16)
3.3. 光谱立体 (17)
4.本系统方案建议 (20)
4.1. 系统组成 (20)
4.1.1.投影系统 (21)
4.1.2.矩阵与接口 (26)
4.1.3.音响与扩声 (27)
4.1.4.会议摄像与记录系统 (29)
4.1.5.中央集中控制系统 (29)
4.2. 主要设备介绍 (31)
4.2.1.F1+投影机 (31)
4.2.2.边缘融合控制器 (32)
4.2.3.投影机的机械调整结构 (33)
4.2.4.屏幕及机械结构 (34)
4.2.5.多窗口图像处理器MediaWall 2000 (36)
4.2.6.AV2 中央控制主机 (40)
4.2.7.无线触摸屏ST-1700C (42)
4.3. 系统的功能特点 (42)
4.3.1.灵活的显示模式 (42)
4.3.2.高品质的画面质量 (43)
4.3.3.高度的可靠性 (43)
4.3.4.灵活的可扩展性 (43)
4.3.5.容易的可维护性 (43)
5.系统设备清单与报价 (44)
三通道光谱立体投影显示系统
方案建议书
1.概述
1.1.文档概述
本文档专为某某单位大屏幕投影显示系统而编制的方案建议书，主要包含四部分：
1）第2章大屏幕投影显示系统介绍，主要介绍大屏幕投影显示系统的三种拼接显示方式，重点介绍无缝拼接技术的原理、关键技术以及系统的实现条件；
2）第3章立体投影显示技术介绍，主要介绍三种立体投影显示技术-主动立体、被动立体和光谱立体；
3）第4章本项目方案建议，根据本项目的需求，给出本项目的方案建议：三通光谱立体，介绍系统的构成、系统的功能特点、主要设备的技术规格；
4）第5章系统设备清单与报价。

1.2.系统概述
本系统是一套当今最为高端和前沿的大屏幕投影显示系统，主要包括三通道光谱立体显示系统（无缝拼接）、音响与会议扩声系统、矩阵与接口系统、会议摄像与记录系统、中央集中控制系统等五部分。

立体投影系统是该工程的核心,是为各种信息﹑资料﹑数据的显示服务的。

大尺寸屏幕覆盖了观看者的余光，不仅大大增强了沉浸感，而且图像尺寸的增大使在普通显示器上不易查觉的细节暴露无遗，提高了可视化的准确性；同时屏幕尺寸的增大使得几十人同时使用，从
而实现了群体可视化，大大提高了群体决策的效率。

音响系统主要用于人声的扩音及资料片（包括各种软件的使用、DVD/CD盘片、录像带等）的声音播放，实现演示室的现场扩声、播音，配合投影显示系统提供优良的视听效果。

矩阵与接口为整个系统提供各种输入输出界面和控制接口，协调、管理各种信息的传输，对传输信号进行实时放大处理，实现多通道信号输入和多通道信号输出，最终保证演示的顺利进行。

在本系统中，我们还设计了一套自动会议摄像与记录系统，来实现会议现场视频信号的采集与记录，并能在控制台监视。

中央控制系统对投影显示设备、音响设备、摄像设备和信号矩阵切换设备，实现全自动化、智能化控制。

用户只要轻轻按动触摸屏，就可轻松实现一键式控制。

中央控制系统还可以对会场环境进行控制管理，包括对灯光、窗帘等的控制，可大大降低系统的管理成本。

2.大屏幕投影显示系统介绍
目前，由于投影机在分辨率和亮度等方面的技术限制，单台投影机不可能投射一幅很大的画面，否则会造成画面亮度灰暗、画面不清晰，使得观看很吃力。

为实现超大画面的显示，同时为克服以上缺点，人们很自然地想到利用多台投影机进行拼接显示的方法，每台投影机只显示小幅图像，通过拼接组合而得到更大的画面。

2.1.不同拼接方式
最容易想到的拼接方法是简单的物理拼接，即所谓的硬拼接方法。

主要有以下两种:
1)普通投影机简单拼接,如图1所示。

图1普通投影机硬拼接，即两台投影机投影图像的边缘对齐，无重
叠部分，整体表现为画面被一道道黑缝分割开
优点：
系统造价低；
系统结构简单；
安装调试简单；
使用维护成本低。

缺点：
显示方式单一；
接缝明显；
亮度、颜色、灰度一致性很差。

2)投影单元拼接墙,如图2所示。

2 投影单元拼接墙，拼缝多，单元之间色彩、亮度差异大
图
优点：
占地面积小；
可以灵活组合不同显示面积；
分辨率高。

缺点：
接缝过多；
系统结构复杂；
单元之间色彩、亮度差异大（个别高端品牌除外）；
系统造价高。

3)无缝拼接
由于人们对完美显示效果的不断追求，近两年，随着投影显示技术的不断发展与创新，
无缝拼接技术在支持超大屏幕投影显示方面正在迅速流行。

图3是一个典型的无缝投影系统。

优点：
具备普通拼接优点；
超大无缝画面；
视觉效果更佳；
灵活的全实时窗口显示。

缺点：
相比单元拼接墙，背投时占用空间稍大；
相对普通拼接，对投影机选型提出更高要求（工程用机）；
安装调试复杂；
价格较高。

2.2.无缝拼接技术
无缝拼接技术，即所谓的软边缘融合（soft-edge Blending）技术，就是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过对重叠区的图像进行电子、光学调整，显示成为一个没有缝隙、更加明亮、超大的整幅画面，其画面效果就像是一台投影机投射生成的画面。

图3多台投影机将显示内容投影在一个无缝屏幕上，产生一个高分辨率、视场连续的图像。

左图：单个的屏幕（或箱体单元）硬性拼接；即两台投影机投影图像的边缘对齐，无重叠部分，整体表现为画面被一道道黑缝分割开。

中图：投影图像的简单重叠：虽然两台投影机的画面有重叠部分，但是没有做边缘亮度融合处理，因此重叠部分画面亮度是其他部分的2倍，显示效果为重叠部分是一条高亮的条形区域。

右图：采用了边缘融合处理，显示效果为整屏显示一致性。

无缝融合显示技术最初源自军用飞行模拟仿真的应用系统，是目前技术含量最高的显示系统，它将光学、电子学、计算机学、精密的机械学有机结合，互相弥补，得到了目前最为优质的显示画面。

追求超大的画面、真实的色彩、清晰的画面，是人们对视觉感受的潜在要求。

目前，大到指挥中心、监控中心、网管中心的建立，小到视频会议、学术报告、技术讲座和多功能会议，对大画面、多色彩、高亮度和高清晰度显示效果的需求越来越强烈。

2.3.软边缘融合需要解决的关键技术
构建一套大屏幕无缝拼接投影显示系统决不是一件轻松的事，需要解决亮度、颜色不一致性的问题，几何错位的问题，几何变形的问题，融合区存在亮带的问题，如图5 所示。

图
4
边缘融合技术的实现方法示意图
颜色不一致
2.4.无缝融合系统的实现条件
构建一套无缝融合显示系统，必须具备以下前提条件：
1）具备整张无缝的屏幕。

前投、背投均可，软、硬均可，作为画面无缝的基本保证，否则将失去建造无缝融合系统的意义。

需要特别说明的是，对于偏振立体投影系统，对投影屏幕有特别要求，就是需要高增益的屏幕，目的是要保持投影机投射光线的偏振性，使得投射到屏幕上的偏振光再反射后,偏振光方向不改变。

观众通过偏振立体眼镜观看时, 每只眼睛只看到相对应的偏振光图像,这样才能产生立体感觉。

2）具备边缘融合的图像处理器。

只有这个条件满足，才能消除重合区的亮带、生成重叠像素区，才能保证重叠区域内的画面是一致的，否则，重叠区域内的亮度与其他区域的亮度不一致。

而且画面混乱不堪，无法正确识别。

而且，对于非平面幕（例如柱形屏幕或球面屏幕），需要进行曲面失真校正。

所有的投影仪在设计时都是针对平面的屏幕，当这样的投影仪把图像投射到球幕或球幕这样的弧形屏幕上，图像就会变形失真，这种现象被称之为非线性失真。

为了在弧形、球形屏幕上得到正确的图像显示效果，必须对图像进行处理，这种处理被称之为非线性失真校正。

目前，市场上能做无缝拼接投影系统的设备有两类：
一类是高端专用投影机。

这种投影机本身具有内置多通道电子边缘融合和非线性几何校正处理功能，像巴可公司的Sim 5R 、Galaxy+系列投影机，科视Matrix、Mirage系列投
影机、3DP公司Compact View系列投影机。

这种类型的投影机由于内置了较多的附加功能，因此在价格上相对昂贵。

另一类是通用的融合处理设备。

这种设备其实就是一台具有特殊功能的PC，能帮助用户完成多通道投影系统的拼接处理。

目前成熟的、商品化的边缘融合/几何校正的外置电子设备是挪威3d-perception公司的产品Compact UTM，这种设备有很强的灵活性，可以连接目前市场上的任意投影机。

功能强大，可完成各种复杂投影系统的校正工作。

3）具备亮度、颜色一致调整的投影机。

具备这个条件，能够对重叠画面部分进行独立调整，使得整体画面显示一致。

在构建一套大屏幕投影系统时，投影机的选择很关键，通常的原则是1）不选择LCD液晶投影机；2）尽可能选择工程用投影机。

液晶投影机由于本身技术的原因，亮度衰减很明显。

容易造成多台投影机刚刚拼接后没多长时间亮度一致性、颜色一致性等会变得很差。

而DLP投影机就好很多。

但是在选择DLP 投影机时最好不选择普通的DLP投影机，主要是这类投影机的亮度、颜色等不可调整，同时镜头没有可选择的余地。

而工程用的DLP投影机往往克服了以上这两种缺点。

当然，这种类型的投影机在价格上相对偏贵。

3.立体投影显示技术介绍
先从人眼的视差说起。

人的两只眼睛同时观察物体，不
但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。

这是
由于人的两只眼睛之间存在4-6厘米的距离，所以每只眼睛
具有差别很小的视点。

从这两个不同的视点得到的图像略有
不同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面
较多，通常称为视差，这两个像经过大脑综合以后就能区分
物体的前后、远近，从而产生立体视觉。

合成为具有景深感
或立体图像。

具有立体感的投影就是基于同样的原理：首先，要求计
算机产生两个略有区别的图像，也就是左右眼的图像；然后
把这两个图像投影到屏幕上。

但是有一个最基本、也是最重要的要求，就是左眼只能看到投影在屏幕上的左眼的图像，右眼只能看到投影在屏幕上的右眼的图像。

目前，可选择的立体投影技术有三种：主动立体技术、被动立体技术和光谱立体技术。

图6 立体效果产生示意图3.1.主动立体
这种方式采用单台投影机。

要求计算
机连续不断地生成左眼、右眼的图像，同
时投影机也不断地交替投影出左眼、右眼
的图像。

而观察者需要戴一副由红外发射
器控制的LCD液晶光阀眼镜，以保持与
投影机的同步。

当投影机显示左眼的图像
时，红外发射器发出同步信号，眼镜的右眼光阀关闭，这样左眼只能看到投影机投射出的左眼的图像。

反之亦然。

由于单台投影机要同时投射左眼、右眼的图像，
图7 主动立体示意图
所以要求该投影机必须具有较高的垂直刷新频率（至少96Hz），以保证观察者在观看时不能出现闪烁。

目前具有这种技术的投影机只有比利时Barco公司的Galaxy+系列和美国Christie公司的Mirage系列的投影机。

这种类型的投影机都是三片DLP投影机，目前的LCD 投影机还不具备这种功能。

主动立体技术的特点：
●对投影机的要求最高，由于单台投影机要同时投射左眼、右眼的图像，所以要求
该投影机必须具有较高的垂直刷新频率，以保证观察者在观看时不能出现闪烁。

●由于采用单台DLP投影机，最终的立体流明只有亮度输出指标的16%。

●对显示屏幕没有特殊要求。

●立体眼镜是由红外发射器控制的LCD液晶光阀眼镜，带有电源，长时间观看眼
睛容易疲劳。

价格贵且笨重，一付眼镜的价格将近800美元，重量在30多克。

●不适于大规模人群观看，只适合于5-6人的工作组。

3.2.被动立体
这种方式需要两台投影机。

一台投影机显示左眼的图像，另一台投影机显示右眼的图像，使这略有差别的两幅图像重叠在屏幕上。

而每台投影机不需要具有很高的垂直刷新
率，普通投影机即可。

这时如果用眼睛直
接观看,看到的画面是模糊不清的,要看到
立体效果，就要在每台投影机镜头前装一块偏振片,它的作用相当于起偏器。

从两台投影机射出的光,通过偏振片后,就成了偏振光。

两台投影机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。

这两束偏振光投射到屏幕上再反射到观众处,偏振光方向不改变。

观众用上述的偏振眼镜观看,每只眼睛只看到相应的偏振光图像,即左眼只能看到左机映出的画面,右眼只能看到右机映出的画面,这样就会像直接观看那样产生立体感觉。

需要特别指出的是，这种实现方案对投影屏幕有特殊要求，需要高增益、抗偏振的屏幕。

被动立体技术的特点：
●这种方式需要两台投影机，分别显示左右眼的图像，使这略有差别的两幅图像重
叠在屏幕上。

而每台投影机不需要具有很高的垂直刷新率，普通投影机即可。

●光的有效利用率较高，最终的立体流明可达亮度输出指标的38%。

●对投影屏幕有特殊要求，需要高增益、抗偏振的屏幕，以保持光的偏振性。

增益
高就意味着可视角小。

●用来观看的立体眼镜价格便宜、重量轻，适合长时间观看。

●适于大规模人群观看。

3.3.光谱立体
光谱立体（或称Infitec 立体，Infitec是Interference Filter Technology 的缩写，即干涉滤光片技术）是被动式立体显示技术的一种。

通常采用的偏振式被动立体显示技术是利用光波的偏振特性，将左右眼的图像利用不同偏振特性的滤光片区分开，再通过偏振立体眼镜使左右眼分别看到各自的图像。

Infitec立体显示技术的原理与之类似，不过Infitec利用的是光波的干涉特性，通过不同干涉特性的滤光片将光谱分段，用以区分左右眼的图像，再通过Infitec立体眼镜使左右眼分别看到各自的图像。

如下图9所示：
左眼图像
右眼图像
图9 光谱立体原理示意图
Infitec立体系统每通道可以使用一台（或称主动光谱立体）或两台投影机（或称被动光谱立体）。

双机情况下，一台投影机投射左眼图像，而另一台投影机同时投射右眼图像，立体
亮度会明显高。

● 单机使用情况下，投影机会将输入的图像交替输出显示。

由于每个眼镜片只能看到自己的图像，不像主动立体那样频繁开闭，舒适感不受影响，同时对IG 的刷新率限制不高。

与传统的主动立体技术比较，Infitec 技术显示的图像没有闪烁，具有更高的立体图像隔离度以及更合理的眼镜价格。

Infitec 立体眼镜
有两种类型的Infitec 立体眼镜：标准型和豪华形。

下图显示的为标准型和豪华型Infitec 立体眼镜。

两类Infitec 立体眼睛都可方便地与其它视力矫正眼镜一起配合使用。

光谱立体技术的特点： ● 这种立体技术几乎结合了主动立体技术和被动立体技术的优点，而同时又克服了各自的不足：
● 不需要专用投影机，两台普通投影机即可。

普通Infitec 立体眼镜 豪华型Infitec 立体眼镜
图10 光谱立体眼镜
●光的利用率介于主动立体和被动立体之间，最终的立体流明可达亮度输出指标的
23%。

●对显示屏幕没有特殊要求。

●用来观看的立体眼镜价格相对便宜、重量轻，适合长时间观看。

●适于大规模人群观看。

4.本系统方案建议
4.1.系统组成
本显示系统由如下分系统构成：
●投影显示系统采用一套三通道、前投、柱幕、光谱立体投影显示系统。

硬件边缘融合
处理器Compact UTM作为核心融合处理设备，同时配置一台美国RGB公司的多窗口图像处理器MultiView 2000。

●外围配以国产名牌VGA、Video矩阵切换器作为对MV2000处理器输入信号接入的
扩充。

（矩阵具体容量根据用户实际情况决定）。

●一套音响与扩声系统；
●一套自动会议摄像与记录系统；
●为保证系统的灵活便利的操作，我们采用美国Crestron公司的中央控制系统管理和
控制所有设备，同时为用户提供一个按需定制的触摸屏操作界面。

4.1.1. 投影系统
4.1.1.1系统组成
本方案建议的投影显示系统是一套三通道、前投、柱幕、光谱立体投影显示系统。

具体是：采用6台挪威PD公司F1+投影机，采用Infitec被动立体技术每两台组成一个显示通道，利用UTM独有的非线性几何校正技术、边缘融合技术、亮度和颜色一致性调整技术，产生一个无缝的超宽图像，显示在一个半径8.5米左右、圆心角65度，弦长9.5米，高2.7米的巨型屏幕上。

用户戴上立体眼镜即可进入一个高逼真、高沉浸感的立体虚拟环境，产生强烈的身临其境的感觉。

效果示意图如图11所示。

整个投影系统主要由以下部分组成：
● 6台F1+ SX+投影机(1400×1050，4500ANSI 流明)，选装Infitec 立体分光镜； ● 每台投影机带有6自由度调整支架，便于光路的调整；
● 一体化投影机支架；
● 一个半径8.5米左右、圆心角65度，弦长9.5米的柱形屏幕以及屏幕支架。

屏幕距离地面0.5米左右；
● 一台Compact UTM 边缘融合与非线性几何校正计算机；
● 安装、调试以及测试专用软件Compact Control 。

● 一台美国RGB 公司的多窗口图像处理器MediaWall 2000
，用来在一个大屏幕上显图11 三通道立体投影显示系统
示多个窗口的图像。

4.1.1.2实现功能
本显示系统能提供两种演示模式：
第一种，大屏模式。

三个通道的六台投影机采用边缘融合无缝拼接技术，形成一个连续、无缝的宽屏显示画面，如图12所示。

图12 大屏显示模式。

三台投影机采用融合无缝拼接技术形成一个连续、无缝的宽屏显示画面
第二种，多窗口模式。

在一个三通道宽屏上，以“多窗口”的形式，同时最高显示6路RGB计算机信号和6路video信号。

窗口可以在整个屏幕上任意漫游，可在任意位置（跨越
融合区）、以任意尺寸（正确的长宽比或拉伸为匹配大小）显示，如图13所示。

4.1.1.3 光路设计
设计说明：
1) 三通道光谱立体，投影机为6台F1+ SX+（分辨率1400×1050、亮度4200ANSI 流明），镜头是标准镜头(1.75-2.2:1)；
2) 屏幕为柱形屏幕，半径8.5米，水平视角65度，幕高2.7米。

从图中可以看出，屏幕宽度将近10米。

图13 多窗口显示模式。

在一个大屏幕上显示多个信号窗口，窗口可以在整个屏幕上任意漫
游，可在任意位置（跨越融合区）、以任意尺寸显示。

图14 光路设计顶视图，半径8.5米，圆心角65度。

从中可以看出宽度、深度等
图15 光路设计侧视图，从中可以看出屏幕的深度、高度等信息信息
图16 光路设计前视图，从中可以看出屏幕的宽度、高度等信息
（注：图中一个方格代表1×1米）
4.1.2. 矩阵与接口
大规模可视化显示环境起源于飞行训练模拟器，飞行训练模拟器需要多台投影机拼接成一个无缝球幕或柱幕的显示环境。

对于这样的系统，仅仅需要运行一个为该模拟器定制的、单一的应用程序即可，几乎都做成系统设备一加电，应用程序就运行的模式。

但是在行业应用中，例如石油/天然气、科学计算、制造业中设计数据的回顾、数字原型设计、大规模电子沙盘、3D地形数据可视化等这些大规模可视化显示环境，需要运行多平台的应用软件，也就是说有多种格式的数据源。

这就意味着不同于模拟器系统，这种可视化系统是一种全功能的多媒体环境，必须适应多通道PC-Cluster、单通道的工作站、笔记本、会议系统、视频播放以及多种音频等等。

而且更为复杂的是，所有这些媒体源具有不同的分辨率和格式，这就要求所建立的可视化系统必须具有很强的灵活性和适应性。

矩阵与接口系统主要就是处理音频信号、视频信号和计算机信号的设备，将所处理的信号按照实际使用的需要进行选择、分配到显示端或其他处理端。

它具有RS232接口，可以与中央控制系统连接来实现信号选择、分配的自动化，从而减少人工操作的复杂性，节约人工
成本，而通过计算机指令执行操作，增加系统运行的安全性。

在进行矩阵设计时，要考虑以下三方面的内容：
1) 矩阵大小，一般用A×B表示，其中A表示输入信号的个数，B表示输出信号的个
数。

通常选择矩阵大小要有冗余；
2) 矩阵格式，这包括信号格式（是Video信号、Audio信号，还是计算机VGA信
号）、分辨率格式、带宽、端口连接头类型（VGA、DVI、BNC）；
3) 控制方式，前面板手动控制，还是RS232远程控制。

在本系统中，我们设计了三种矩阵：
第一种是32×16 VGA矩阵，是系统中的核心矩阵，需要在大屏幕上显示的各种计算机信号都要输入到该矩阵。

第二种是16×16 Video矩阵，需要在大屏幕上显示的各种视频信号都要先输入到该矩阵。

第三种是8×2 音频矩阵，对DVD、各类计算机的音频信号进行选择。

4.1.3. 音响与扩声
本系统中的音响系统主要是配合投影显示系统为整个演示室提供优良的视听效果。

实现两种功能：1）用于人声的扩音；2）资料片，包括各种软件的使用、DVD/CD盘片、录像带等的声音播放。

考虑到扩声系统肩负讨论、会议、报告、音频播放的功能，需要具有良好的语言清晰度、良好的声音还原度，丰满的音频动态响应，以及足够的声压级和频率响应。

根据房间的实际情况和客户需求，以及方便的操作性和灵活的功能转换等方面，在设计中我们做了全面的考
虑，尽最大可能提高声音的清晰度、消除声反馈啸叫，以确保音乐和人声的和谐同一。

对该项目的音响的设计，我们弃用由调音台、混音器、均衡器、反馈抑制器、压限器等设备组成的繁琐的解决方案，转而采用美国EAW专业的数字音频处理器DX810的解决方案。

整个音响扩声系统的设计是：
●1台美国EAW DX810 数字音频处理器；
●2只英国Qi FORUM12 主扩音音箱，与之匹配的是1台Qi QAA1002功率放大器；
●1只Qi FORUM8中置音箱，与之匹配的是1台Qi QAA702功率放大器；
●4只英国Qi CONCOURSE D5环绕音箱，与之匹配的是2台Qi QAA1002功率放
大器；
●2只Qi FORUM15 XB超低音音箱；
●1台SABINE数字反馈抑制器FBX1220；
●2支有线话筒，分别放在演讲台和控制室；
●2支无线话筒，放在首长席。

大屏幕两侧悬挂安装2只Qi FORUM12 主扩音音箱，在屏幕上方的正中间安装1只Qi FORUM8中置音箱。

在观众席左右两边的墙上，各悬挂2只环绕音箱作后部补声用，既美观又实用。

2只低音音箱可放置在大屏幕两侧的地面上。

这样的布置其特点是采用全频设计、工作频率范围宽、适合高清晰扩声使用。

声场范围可以完全覆盖整个大厅。

整个扩声系统的核心是一台EAW DX810数字音频处理器DX810采用全安数字化控制，具有各种音频处理设备功能（如压限、抑制、均衡等），可根据实际情况进行配置，无须添加各种辅助音频处理设备，如果今后有增添功能的可能只需在软件上进行修改即可，无须进行二次投资。

在整个扩声系统中所有的音箱功放都采用采用同一厂家产品，优势在于可以更好的发挥产品自身的优势，产生更好的搭配效果。